(57)【要約】【課題】高温アニール処理を行うことができるＴＭＲ素子等を提供する。【解決手段】ＴＭＲ素子５１は、反強磁性層６１、ピンド層６３、バリア層６５及びフリー層６７を含むＴＭＲ膜５３と、ＴＭＲ膜の積層方向下方に設けられた下部磁気シールド膜５５とを備える。バリア層は、酸化マグネシウムで構成されており、下部磁気シールド膜は、結晶質層７１と、その積層方向上方に設けられたアモルファス層７３とを含む複層構造を有している。結晶質層は、粒径が５００ｎｍ以上の結晶粒を少なくとも一つは含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の積層方向下方に設けられた下部磁気シールド膜とを備え、
前記下部磁気シールド膜は、結晶質層と、その積層方向上方に設けられたアモルファス層とを含む複層構造を有しており、
前記結晶質層は、粒径が５００ｎｍ以上の結晶粒を少なくとも一つは含む
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子を読み取り素子として含む磁気ヘッド装置。
【請求項３】
反強磁性層、ピンド層、バリア層及びフリー層を含むＴＭＲ膜と、
前記ＴＭＲ膜の積層方向下方に設けられた下部磁気シールド膜とを備え、
前記下部磁気シールド膜は、結晶質層と、その積層方向上方に設けられたアモルファス層とを含む複層構造を有しており、
前記結晶質層は、粒径が５００ｎｍ以上の結晶粒を少なくとも一つは含む
ことを特徴とするＴＭＲ素子。
【請求項４】
前記バリア層は、酸化マグネシウムで構成されている、請求項３に記載のＴＭＲ素子。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のＴＭＲ素子を読み取り素子として含む磁気ヘッド装置。
【請求項６】
請求項２又は５に記載の磁気ヘッド装置と、磁気記録媒体とを含む磁気記録再生装置。
【請求項７】
下部磁気シールド膜の構成層である結晶質層を形成し、
前記結晶質層の上方に、下部磁気シールド膜の構成層であるアモルファス層を形成し、
前記アモルファス層の上方に、磁気抵抗効果膜を形成し、
その後、３００℃以上の高温メインアニール処理を行う、
ことを含む磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項８】
下部磁気シールド膜の構成層である結晶質層を形成し、
前記結晶質層の上方に、下部磁気シールド膜の構成層であるアモルファス層を形成し、
前記アモルファス層の上方に、反強磁性層、ピンド層、バリア層及びフリー層を含むＴＭＲ膜を形成し、
その後、３００℃以上の高温メインアニール処理を行う、
ことを含むＴＭＲ素子の製造方法。
【請求項９】
前記結晶質層の形成後、又は、前記アモルファス層を形成後であって、前記ＴＭＲ膜の形成前に、該結晶質層に粒径が５００ｎｍ以上の結晶粒を少なくとも一つ発生させるためのサブアニール処理を行っておく、
ことを含む請求項８に記載のＴＭＲ素子の製造方法。
【請求項１０】
前記サブアニール処理の後、前記ＴＭＲ膜の形成前に、平坦化処理を行うことを含む請求項９に記載のＴＭＲ素子の製造方法。
【請求項１１】
前記バリア層が酸化マグネシウムである請求項１０に記載のＴＭＲ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子、ＴＭＲ素子及びそれを用いた磁気ヘッド、センサ、メモリ、並びに、磁気抵抗効果素子及びＴＭＲ素子の製造方法等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗比が高いＭＲ素子の一つとして、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）があげられる。ＴＭＲ素子においては、フリー層とピンド層との間に主に酸化金属からなる極薄のバリア層が配置されている。また、反強磁性層、ピンド層、バリア層及びフリー層が積層され構成されるＴＭＲ膜の上下には、外部磁界による読み取り特性劣化を防止するため、一対の磁気シールド層が設けられている。
【０００３】
バリア層は、これまで、アルミニウム、チタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウムなどの酸化物のアモルファスから構成されていることが多かった。近年、このバリア層を、結晶性酸化マグネシウム（ＭｇＯ）によって構成することにより、ＭＲ比が従来よりも大幅に向上することが分かっている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】「単結晶ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）素子で世界最高性能を達成」、「ＡＩＳＴ  Ｔｏｄａｙ  ＶＯＬ．４  Ｎｏ．５」、２００４年５月、独立行政法人産業技術総合研究所発行、４−６頁
【０００４】
また、フリー層やピンド層に高い分極率を示すハーフメタル材料（例えはホイスラー合金など）を用いることで、ＣＰＰ型ＧＭＲ素子のＭＲ比を向上させる試みも行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来一般的であったアモルファスによりバリア層を構成する態様では、反強磁性層とピンド層との交換結合を安定化させるため、あるいは、バリア層を安定化させるために、２５０℃〜３００℃の温度でアニール処理すれば十分であった。一方、ＭＲ比を向上させるべくバリア層を酸化マグネシウムで構成する態様では、結晶性を高め十分なＭＲ比を得るためにそれよりも更に高温でアニール処理を行うことが好ましい。また、ＣＰＰ型ＧＭＲ素子においても、ホイスラー合金を規則化させて十分に大きなＭＲ比を得るために同様に高温でアニール処理を行うことが好ましい。しかしながら、高温でアニール処理を行う場合には、磁気シールド層内において粗大粒が成長してしまい、それらと隣接するＴＭＲ膜がその影響を受けて凹凸に変形し、特性がばらつく等の不具合を生じる虞がある。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、酸化マグネシウムを含むバリア層を備えておりながら高温アニール処理を行うことが可能なＴＭＲ素子や、ホイスラー合金を用いたフリー層やピンド層を備えておりながら高温アニール処理を行うことが可能なＣＰＰ型ＧＭＲ素子、あるいはそれを含む磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の積層方向下方に設けられた下部磁気シールド膜とを備え、前記下部磁気シールド膜は、結晶質層と、その積層方向上方に設けられたアモルファス層とを含む複層構造を有しており、前記結晶質層は、粒径が５００ｎｍ以上の結晶粒を少なくとも一つは含むことを特徴とする。
【０００８】
さらに、同課題を解決するための本発明に係るＴＭＲ素子は、反強磁性層、ピンド層、バリア層及びフリー層を含むＴＭＲ膜と、前記ＴＭＲ膜の積層方向下方に設けられた下部磁気シールド膜とを備え、前記下部磁気シールド膜は、結晶質層と、その積層方向上方に設けられたアモルファス層とを含む複層構造を有しており、前記結晶質層は、粒径が５００ｎｍ以上の結晶粒を少なくとも一つは含むことを特徴とする。
その場合、前記バリア層は、酸化マグネシウムで構成されていてもよい。
なお、上下方向については、先に積層されたものを「下」とし、より後に積層されるものを「上」として説明を行う。
【０００９】
同課題を解決するため、本発明は、磁気ヘッド装置及び磁気記録再生装置も提供する。
本発明の磁気ヘッド装置は、本発明の磁気抵抗効果素子又はＴＭＲ素子を読み取り素子として含む。
本発明の磁気記録再生装置は、本発明の磁気ヘッド装置と、磁気記録媒体とを含む。
さらに、本発明は、磁気抵抗効果素子やＴＭＲ素子の製造方法も提供する。
【００１０】
本発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、下部磁気シールド膜の構成層である結晶質層を形成し、前記結晶質層の上方に、下部磁気シールド膜の構成層であるアモルファス層を形成し、前記アモルファス層の上方に、磁気抵抗効果膜を形成し、その後、３００℃以上の高温メインアニール処理を行う、ことを含む。
【００１１】
本発明に係るＴＭＲ素子の製造方法は、下部磁気シールド膜の構成層である結晶質層を形成し、前記結晶質層の上方に、下部磁気シールド膜の構成層であるアモルファス層を形成し、前記アモルファス層の上方に、反強磁性層、ピンド層、バリア層及びフリー層を含むＴＭＲ膜を形成し、その後、３００℃以上の高温メインアニール処理を行う、ことを含む。
【００１２】
また、前記結晶質層の形成後、又は、前記アモルファス層を形成後であって、前記ＴＭＲ膜の形成前に、該結晶質層に粒径が５００ｎｍ以上の結晶粒を少なくとも一つ発生させるためのサブアニール処理を行っておくこともできる。
その場合、サブアニール処理の後、前記ＴＭＲ膜の形成前に、平坦化処理を行うと好適である。
また、前記バリア層は酸化マグネシウムで構成されている。
【発明の効果】
【００１３】
以上のような、本発明によれば、酸化マグネシウムを含むバリア層を備えておりながら高温アニール処理を行うことができる。また、ホイスラー合金を用いたフリー層やピンド層を備えておりながら高温アニール処理を行うことができる。
【００１４】
なお、本発明の他の特徴及びそれによる作用効果は、添付図面を参照し、実施の形態によって更に詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明に係るＴＭＲ素子、及びそれを読み取り素子に用いた薄膜磁気ヘッドの実施の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。
【００１６】
図１は、磁気記録再生装置の平面図である。図示された磁気記録再生装置１は、磁気ヘッド装置３と、磁気ディスク５とを含む。磁気ヘッド装置３は少なくとも、ヘッド支持装置７と、位置決め装置９と、磁気ヘッド１１とを有する。ヘッド支持装置７の一端は、位置決め装置９に接続されている。磁気ヘッド１１は、ヘッド支持装置７の他端に支持されて、磁気ディスク５の磁気記録面と対向するように配置される。
【００１７】
このように構成された磁気記録再生装置１においては、磁気ディスク５が図示しない駆動装置により矢印Ａ１の方向に回転駆動されると、磁気ヘッド１１が、微小浮上量で、磁気ディスク５の面から浮上する。磁気ヘッド１１は、位置決め装置９の駆動によってヘッド支持装置７を介して磁気ディスク５の径方向ｂ１またはｂ２に移動される。そして、磁気ディスク５上の所定のトラック位置において磁気情報の書き込み、読み取りを行う。
【００１８】
図２に、磁気ヘッド１１における媒体対向面側の端部断面を示す。磁気ヘッド１１は、書き込み素子２１と、読み取り素子であるＴＭＲ素子５１とを備えている。
【００１９】
書き込み素子２１には、ギャップ膜２５が設けられている。ギャップ膜２５の上下には、上磁極膜２７及び下磁極膜２９が延在している。上磁極膜２７と下磁極膜２９は、媒体対向面と逆側において、結合部３１によって磁路が形成されるように結合されている。上磁極膜２７と下磁極膜２９との間には、コイル３３が形成されている。コイル３３は、結合部３１を軸に周回するように配置されている。
【００２０】
読み取り素子であるＴＭＲ素子５１は、非磁性膜３５を挟んで書き込み素子２１の下方に配置されている。
【００２１】
なお、磁気記録再生装置や磁気ヘッドの構成に関してはあくまでも例示であり、適宜改変することが可能である。
【００２２】
図３に、ＴＭＲ素子５１の構成を模式的に示す。ＴＭＲ素子５１は、ＴＭＲ膜５３と、その上下に設けられた一対の磁気シールド膜５５、５７とを有している。ＴＭＲ膜５３には、反強磁性層６１、ピンド層６３、バリア層６５及びフリー層６７が含まれている。また、ＴＭＲ膜５３の側方には、絶縁層６９やバイアス層７０が設けられている。
【００２３】
ピンド層６３の磁化方向は、ピンド層６３におけるバリア層６５と逆側に設けられた反強磁性層６１との交換結合によってある一定の方向に固定されている。一方、フリー層６７の磁化方向は、記録媒体からの磁束など外部磁界に対応して変化できるようになっている。
【００２４】
バリア層６５は、トンネルバリア層として機能する層であり、ＭＲ比の大きい材料である結晶性酸化マグネシウム（本明細書においては「ＭｇＯ」又は単に「酸化マグネシウム」とも記載する）で構成されている。ピンド層６３及びフリー層６７は、強磁性材料、例えばＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ等で構成されている。
【００２５】
ＴＭＲ膜５３の積層方向下方に設けられた下部磁気シールド膜５５は、結晶質層７１とアモルファス層７３とを含む複層構造を有している。結晶質層７１は、ＮｉＦｅ、ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＮｉ等の合金から構成されている。また、結晶質層７１は、好適には０．５μｍ〜２．０μｍの厚さに形成されており、粒径が５００ｎｍ以上の結晶粒を少なくとも一つ含んでいる。
【００２６】
アモルファス層７３は、結晶質層７１の積層方向上方に設けられており、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉを主体として、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｚｒ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ等の元素やＧｄ、Ｈｏ、Ｔｂ等の希土類を適宜含有する、非晶質合金から構成されている。アモルファス層７３の厚さは、好適には０．０５μｍ〜０．３μｍであり、極めて厳密には粒径が１０ｎｍ以下の微小な結晶粒が含まれているものも本発明ではアモルファスと解する。
【００２７】
なお、上部磁気シールド膜５７については、本実施の形態では特に限定はなく、既存のとおり構成されているものとする。
【００２８】
次に、このような構成を有するＴＭＲ素子を製造方法について説明する。下部磁気シールド膜５５を形成するまでの工程については既存の仕方と同様であってもよいため、その説明は省略する。下部磁気シールド膜５５を形成するにあたっては、まず、その構成膜である結晶質層７１を成膜する。結晶質層７１は、周知のメッキ法によって形成する。次に、結晶質層７１の積層方向上方にアモルファス層７３を成膜する。アモルファス層７３は、ドライ成膜プロセス、本実施の形態ではスパッタリングによって形成する。
【００２９】
このようにして形成された下部磁気シールド膜５５の積層方向上方に、ＴＭＲ膜５３を形成する。具体的には、まず、反強磁性層６１を成膜し、その上に、ピンド層６３を形成し、さらにその上に、バリア層６５、フリー層６７、図示省略するキャップ層を順次形成する。なお、反強磁性層６１を成膜する前に、下部磁気シールド膜５５の上面に適当な下地層を成膜しておくと好適である。
【００３０】
次に、ＴＭＲ膜５３のパターニングを行う。具体的に例示すると、ＴＭＲ膜５３を構成するフリー層６７の上方にマスク部材を設け、エッチングなどによって、反強磁性層６１、ピンド層６３、バリア層６５及びフリー層６７の不要部を除去し、図３に示されるようにＴＭＲ膜５３をパターニングする。
【００３１】
続いて、バリア層６５の結晶性を高めるべく３００℃以上、好適には３６０℃の高温メインアニール処理を行う。これは、
「Giant tunnelling magnetoresistance at room temperature with MgO(100）tunnel barriers」、「Nature Materials Vol 3 No 12」、2004年12月1日、STUART S. P. PARKIN、CHRISTIAN KAISER、ALEX PANCHULA、PHILIP M．RICE、BRIAN HUGHES、MAHESH  SAMANT、SEE−HUN YANG著、Nature Publishing Grope発行、862〜867頁 Figure．３  
に記述されているように、特にＭｇＯ（酸化マグネシウム）のバリア層においては、アニール処理の温度は３００℃以上を境にそれ以上になると、急激にＭＲ比が向上するからである。またその一方で、３６０℃を超える温度でアニール処理を行うと層間の拡散が始まりＭＲ比は低下することが考えられる。そこで、本発明では、３００℃以上、好適には３６０℃の温度で、高温メインアニール処理を行う。
【００３２】
その後は、エッチングによって除去されたＴＭＲ膜５３の左右両側部分に、絶縁層６９と、ＣｏＣｒＰｔ等からなるバイアス層７０とを形成し、ＴＭＲ膜５３及びバイアス層７０の上方に、上部磁気シールド膜５７を形成した図３に示す構造を得る。なお、高温メインアニール処理の実施タイミングは、バリア層６５の成膜後であれば特に上記に限られず、例えば、絶縁層６９の形成後や逆にＴＭＲ膜５３のパターニング前であってもよい。
【００３３】
以上のような構成のＴＭＲ素子及びその製造方法によれば、次のような効果が得られる。上述したようにＭｇＯ（酸化マグネシウム）のバリア層のＭＲ比を向上させるべく３００℃以上の温度でアニール処理を行うことにより、下部磁気シールド膜５５を構成する結晶質層７１の内部には粗大粒が発生する。ここで、従来であればアニール処理は２５０℃〜３００℃の温度で行われるためこのような現象は生じないが、仮に、粗大粒が発生すれば従来のように下部磁気シールド膜を構成する結晶質層のすぐ上にＴＭＲ膜がある場合には、ＴＭＲ膜がその影響を受けて凹凸に変形し、特性がばらつく等の不具合を生じる虞があった。
【００３４】
これに対し、本実施の形態では、下部磁気シールド膜５５は結晶質層７１とその上に位置するアモルファス層７３とを含む複層構造として構成されている。このため、例え３００℃以上の高温アニール処理によって結晶質層７１の内部に粗大粒が発生しても、アモルファス層７３では結晶粗大化は起こりにくく、結晶質層７１内の粗大粒発生の影響はアモルファス層７３においてキャンセルされ、ＴＭＲ膜５３にまで及ぶことはない。よって、３００℃以上の高温アニール処理によってＴＭＲ素子５１のＭＲ比を向上させながら、粗大粒発生による特性悪化は回避することができる。すなわち、本実施の形態に係るＴＭＲ素子及びその製造方法によれば、酸化マグネシウムを含むバリア層を備えておりながら高温アニール処理を行うことが可能となっている。
【００３５】
さらに上記に加えて、下部磁気シールド膜の上部が結晶質からなり、その上にＴＭＲ膜が形成される態様では、下部磁気シールド膜の結晶質において結晶方位のバラツキがあるとＴＭＲ膜にもそのような良好ではない結晶構造が受け継がれてしまい、特性悪化につながる虞もある。しかしながら、本実施の形態では、下部磁気シールド膜５５の上部がアモルファス層７３であるため、その下の結晶質層７１の結晶構造はアモルファス層７３でキャンセルされ、ＴＭＲ膜５３の特性悪化を招くこともない。
【００３６】
また、磁気シールド膜のシールド効果としては、結晶粒径が大きいほど初透磁率は大きくなるところ、本実施の形態では、下部磁気シールド膜５５における結晶質層７１内に、粒径が５００ｎｍ以上の結晶粒を少なくとも一つは含む。このため、上記のように３００℃以上の高温アニール処理を可能とすべく下部磁気シールド膜５５がアモルファス構造を有しておりながら、下部磁気シールド膜５５全体としては、必要な初透磁率を確保し、好適な外部磁界耐性をも確保することが可能となっている。
【００３７】
なお、ＴＭＲ膜５３に近い部位の粒径が大きい場合には、いわゆる高周波特性の悪化につながる虞があるが、本実施の形態では、下部磁気シールド膜５５におけるＴＭＲ膜５３と近い上層側ではなく遠い下層側である結晶質層７１において、多少粒径の大きい結晶粒が含まれるだけなので、上記のような高周波特性の悪化を招くようなこともない。
【００３８】
さらに、下部磁気シールド膜は、アモルファス層の単層構成ではなく、アモルファス層７３と結晶質層７１とによる二層化された構成であるため、アモルファス層７３自体はその膜厚を薄くすることで、ドライ成膜プロセスにより形成することができ、一方、結晶質層７１については既存のメッキ法によって形成することができる。よって、磁気シールド膜として必要な膜厚は確保しながらもドライ成膜プロセスを組み入れることもでき、製造コスト面でも有利である。
【００３９】
以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。
【００４０】
例えば、下部磁気シールド膜５５を構成する結晶質層７１を形成した後、ＴＭＲ膜５３を積層する前の適当なタイミングに、上述したメインアニール処理とは別にサブアニール処理を実施してもよい。
【００４１】
第１の例としては、上述したようにメッキ法によって結晶質層７１を形成しスパッタリングによってアモルファス層７３を形成した後に、メインアニール処理よりも高温である例えば３８０℃のサブアニール処理を行い、その後に、ＴＭＲ膜５３を積層し、以降同様にメインアニール処理を行ってもよい。
【００４２】
あるいは、第２の例としては、メッキ法によって結晶質層７１を形成した後に、例えば３８０℃のサブアニール処理を行い、一旦、結晶質層７１の上面に対してＣＭＰなどの平坦化処理を行った後に、スパッタリングによってアモルファス層７３を形成し、さらに、ＴＭＲ膜５３を積層し、以降同様にメインアニール処理を行ってもよい。
【００４３】
これらの改変した形態によれば、サブアニール処理によって結晶質層７１の結晶粒粗大化が進むが、その後、サブアニール処理よりも低温でメインアニール処理が行われるため、メインアニール処理時における結晶質層７１内の結晶粒の更なる粗大化を抑制することが可能となる。
【００４４】
また、本発明のＴＭＲ素子やＣＰＰ型ＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子は、薄膜を用いたセンサやメモリ、アクチュエータ、半導体デバイスなど、薄膜磁気ヘッド以外の製品として酸化物を含む積層構造体として構成されるものに広く適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの斜視図である。
【図２】図１に示した薄膜磁気ヘッドの書き込み及び読み取り素子近傍の拡大断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るＴＭＲ素子の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１                      磁気記録再生装置
３                      磁気ヘッド装置
５１                    ＴＭＲ素子
５３                    ＴＭＲ膜
５５                    下部磁気シールド膜
６１                    反強磁性層
６３                    ピンド層
６５                    バリア層
６７                    フリー層
７１                    結晶質層
７３                    アモルファス層
【図１】
2007073944.tif 000003
【図２】
2007073944.tif 000004
【図３】
2007073944.tif 000005